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光频率梳提供了一种方便的方法来产生难以捉摸的太赫兹频率
发布时间:2017-11-30 09:21:30 阅读:206

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组 郑重阳 编译

量子级联激光器产生的光频率梳。被发现的谐波梳状系统产生的频谱与在基本频率梳(右)中观察到的频率相比大10到100倍,使得该平台中的全新应用成为可能。这两种频率梳都可以使用相同类型的设备生成。图片来源:杰瑞德西斯勒/哈佛工程与应用科学学院(Jared Sisler / Havard SEAS)

    光学频率梳是广泛使用的用于测量和检测不同频率的高精度工具,也成为光的颜色。与传统的发射单一频率的激光器不同,这些激光器同时发射多个频率。等间隔的频率与梳子的齿相似。从测量特定分子的指纹到探测遥远的系外行星,光学频率梳被用来做任何的事情。

    现在,哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员约翰A.保尔森(John A. Paulson)正在探索使用红外频率梳来产生难以捉摸的太赫兹频率的可能性。这些频率——位于无线电波和红外线之间的电磁波谱中——长期以来一直承诺改变通信和传感,但对于源来说是非常具有挑战性的。通过利用最近发现的激光状态,SEAS研究人员在量子级联激光器中发现了一种红外频率梳,为产生太赫兹频率提供了一种新的方法。

    这个新系统被称为谐波频率梳,它产生的频谱范围比传统的频率梳要大几十倍。大而精确的间距允许这些光的模式一起跳动,产生极其纯的太赫兹音调。

    本研究在自然光子学中进行了描述。

    “从激光物理学的角度来看,量子级联激光器谐波状态的发现是令人惊讶的,”费德里科•卡帕索(Federico Capasso)说,应用物理系的罗伯特•l•华莱士(Robert L. Wallace)教授和电子工程高级研究员文顿•海耶斯(Vinton Hayes)也是论文的高级作者。直到最近,人们还认为,多模激光器通常会对所有可能的谐振腔进行激光照射。在谐波状态下,许多谐振腔频率被跳过。更值得注意的是,这一发现开启了电磁波谱未使用区域即太赫兹波的意想不到的机会。

    在传统的频率梳中,梳齿被一个小的频率分开,这是由激光腔的特征长度决定的,这意味着梳齿靠在一起。然而,谐波频率梳可以使用较大倍数的频率。

    “利用这个新的梳子系统,我们可以绕过空腔长度的严格限制,并在量子级联激光频率梳的领域达到前所未有的灵活性,”Capasso实验室的博士后研究员Marco Piccardo说,他是论文的第一作者。

    这项研究的关键在于证明这些大量间隔的梳齿确实是等距的。利用另一个参考梳,研究小组能够以非常高的分辨率研究谐波频率梳的光谱。

    Capasso团队的访问研究实习生、该论文的共同第一作者Dmitry Kazakov说:“我们发现,这些线路是等距的,只有300赫兹的不确定性,这就把这种测量的相对精度量化到万亿分之五。”“就好像人们可以测量从地球到月球的距离,而且比人类头发的厚度要少。”

    目前,大多数的太赫兹发生器都使用在接近零度下工作的大型复杂光学系统来产生太赫兹频率。谐波频率梳在室温下工作,使用商用量子级联激光器,并且是自启动的,这意味着当电流注入到设备中时,激光器可以自动切换到这个状态。

    Capasso说:“这为频率梳提供了全新的应用,尤其是在无线通讯领域”。“我们预计,在不久的将来,这种梳状机制将使新一代芯片级调制解调器在太赫兹频率下工作,以适应日益增长的消费者对高数据速率数字通信的需求。”

 
 

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